数据采集系统基本组成幻灯片.ppt

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1、数据采集系统基本组成第1页，共54页，编辑于2022年，星期六多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式l每个通道都有各自独自的采样保持器与每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器，这种结构转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号形式可以对各通道输入信号进行同步、高速数据采集。进行同步、高速数据采集。多通道多通道A/D转换转换 第2页，共54页，编辑于2022年，星期六l各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D转换转换器。通过多路开关分，对各路信号器。通过多路开关分，对各路信号分时进行分时进行A/D转换转换。能。能够实现

2、够实现多路信号多路信号的的同步采集同步采集，但采集速度稍慢。，但采集速度稍慢。单通道共享单通道共享A/D转换器转换器 多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式第3页，共54页，编辑于2022年，星期六l各通道公用一个采样保持器和各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时，通过多转换器。工作时，通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现实现多路信号的分时采集多路信号的分时采集，而，而非同步采集非同步采集。并且。并且采集速度最采集速度最慢慢。优点是。优点是节省硬件成本节省硬件成本，适于对适于对采集速

3、度要求不高采集速度要求不高的应的应用场合。用场合。多通道共享采样保持器与多通道共享采样保持器与A/D转换器转换器 第4页，共54页，编辑于2022年，星期六数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标1.系系统统分分辨辨率率：数数据据采采集集系系统统可可以以分分辨辨的的输输入入信信号号的的最最小小变变化化量量。通通常常用用最最低低有有效效位位值值（LSB）占占系系统统满满刻刻度度信信号号的的百百分分比比表表示示，或或用用系系统统可可分分辨辨的的实实际际电电压压数数值值来来表表示示。有有时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。位数位数级级数数1 L

4、SB（满满度度值值的百分数）的百分数）1 LSB（10V满满度）度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44 mV16655360.0015%0.15 mV2010485760.000095%9.53 uV24167772160.0000060%0.60 uV表表1.1 系统的分辨率（满度值为系统的分辨率（满度值为10 V）第5页，共54页，编辑于2022年，星期六数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标2.系系统统精精度度：当当系系统统工工作作在在额额定定采采集集速速率率下下，每每个个离离散散子子样的转换精度。样的转换精度。模数转换器的精度是系统精度的极

5、限值。模数转换器的精度是系统精度的极限值。系系统统精精度度是是系系统统的的实实际际输输出出值值与与理理论论输输出出值值之之差差，它它是是系系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。3.采采集集速速率率（系系统统通通过过速速率率、吞吞吐吐率率）：在在满满足足系系统统精精度度指指标标的的前前提提下下，系系统统对对输输入入模模拟拟信信号号在在单单位位时时间间内内所所完完成成的的采采样样次次数数，或或者者说说是是系系统统每每个个通通道道、每每秒秒钟钟可可采采集集的的子样数目。子样数目。“采集采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传包括对被测物理量进

6、行采样、量化、编码、传输、存储等过程。输、存储等过程。采集速率的倒数是采样周期。采集速率的倒数是采样周期。第6页，共54页，编辑于2022年，星期六数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集系统的信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小与最小幅值幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：之比的分贝数，动态范围：瞬瞬时时动动态态范范围围：对对大大动

7、动态态范范围围信信号号的的高高精精度度采采集集时时，某某一一时时刻刻系系统统所所能能采采集集到到的的信信号号的的不不同同频频率率分分量量幅幅值值之之比比的的最最大大值值，即即幅幅值值最最大大频频率率分分量量的的幅幅值值Afmax与与幅幅度度最最小小频率分量的幅值频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬时动态范围：之比的分贝数。瞬时动态范围：第7页，共54页，编辑于2022年，星期六数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标5.非非线线性性失失真真（谐谐波波失失真真）：给给系系统统输输入入一一个个频频率率为为f的的正正弦弦波波时时，其其输输出出中中出出现现很很多多频频率率为为kf（k为

8、为正正整整数数）的的新新的的频频率率分分量量的的现现象象，称称为为非非线线性性失失真真。谐谐波波失失真真系系数数用用来来衡衡量量系系统统产产生非线性失真的程度，它通常用下式表示：生非线性失真的程度，它通常用下式表示：A1为基波振幅，为基波振幅，Ak为第为第k次谐波的振幅。次谐波的振幅。第8页，共54页，编辑于2022年，星期六微弱信号检测方法微弱信号检测方法l提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪声传感器。从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪声传感器。分析测量中的噪声规律和

9、信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。l对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，噪声低，对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。用于弱信号检测的谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。填空：填空：16*1=16 判断判断6*1=6 简简答答6*6=36分析分析10+10+10+12=12分分第9页，共54页，编辑于2022年，星期六放大器放大器l使用测量放大器的原因

10、：弱信号、强干扰；动态范围宽，共模干扰电使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。压大。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳定性高。闭环增益稳定性高。l分类：分类：l技术指标：技术指标：放大倍数：放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais输入阻抗：输入阻抗：Ri=U0/Ii输出阻抗输出阻抗通频带通频带第10页，共54页，编辑于2022年，星期六混频偏差混频偏差l采采样样率率过过低的低的结结果是果是还还原信号的原信

11、号的频频率看上去与原始信号不同。率看上去与原始信号不同。这这种信号畸种信号畸变变叫做混叠（叫做混叠（alias）。出）。出现现的混的混频频偏差（偏差（alias frequency）是）是输输入信号的入信号的频频率和最靠近的采率和最靠近的采样样率整数倍的率整数倍的差的差的绝对值绝对值。采采样频样频率率fs是是100HZ第11页，共54页，编辑于2022年，星期六信号信号调调理理l信号信号调调理能理能够够在信号、在信号、传传感器、感器、DAQ板卡和板卡和PC机之机之间间提供接口。通提供接口。通常的信号常的信号调调理理类类型包括：放大、隔离、型包括：放大、隔离、滤滤波、激励、波、激励、线线性化等。

12、性化等。第12页，共54页，编辑于2022年，星期六A所以流入所以流入节节点点A的的电电流流所以流入相所以流入相邻邻左左侧节侧节点的点的电电流依次减半。流依次减半。倒倒T型型电电阻解阻解码码网网络络 D/A转换转换器器倒倒T型型电电阻网阻网络络是集成是集成DA转换转换器中采用最多的一种。从器中采用最多的一种。从节节点点A向左看，向左看，每个每个节节点等效点等效电电阻均阻均为为2R。第13页，共54页，编辑于2022年，星期六可写出可写出的表达式的表达式 输出模拟电压为输出模拟电压为第14页，共54页，编辑于2022年，星期六于是输出电压于是输出电压与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成

13、。与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。而而第15页，共54页，编辑于2022年，星期六多通道采多通道采样样方式方式1.循循环环采采样样：只采用一个：只采用一个A/D芯片，通芯片，通过过多路多路转换转换开关开关实现实现不同通道不同通道的切的切换换；通道；通道转换时间转换时间造成多通道不能同造成多通道不能同时时采采样样；可以通；可以通过过外加外加采采样样/保持保持电电路保路保证证采采样样的同步。的同步。2.同步采同步采样样：每个通道采用独立的放大器和采：每个通道采用独立的放大器和采样样保持器以及保持器以及A/D转换转换器，器，不同通道采用同一不同通道采用同一时钟时钟；保；保证证不同通道

14、的采不同通道的采样时间样时间相同（信号同步）相同（信号同步）；3.突突发发模式采模式采样样：采：采样频样频率由率由扫扫描描时钟时钟控制，通道切控制，通道切换时间间换时间间隔由通道隔由通道时钟时钟控制。控制。第16页，共54页，编辑于2022年，星期六数据采集设备的基本结构数据采集设备的基本结构多通道共享采样保持器和多通道共享采样保持器和A/D转换器转换器多通道同步型数据采集系通多通道同步型数据采集系通多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统分布式数据采集系统分布式数据采集系统第17页，共54页，编辑于2022年，星期六被测信号与数据采集设备之间的连接被测信号与数据采集设备之间的连接l电压电

15、压信号可以分信号可以分为为接地和浮接地和浮动动两种两种类类型。型。接地信号：将信号的一端与系接地信号：将信号的一端与系统统地地连连接起来，如大地或建筑物的接起来，如大地或建筑物的地。因地。因为为信号用的是系信号用的是系统统地，所以与数据采集卡是共地的。地，所以与数据采集卡是共地的。浮浮动动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连连接的接的电压电压信号称信号称为为浮浮动动信号，浮信号，浮动动信号的每个端口都与系信号的每个端口都与系统统地独立。常地独立。常见见的浮的浮动动信号有信号有电电池、池、热热电电偶、偶、变压变压器和隔离放大器。器和隔离放大器。测

16、测量系量系统统可以分可以分为为差分（差分（Differential）、参考地）、参考地单单端（端（RSE）、无参）、无参考地考地单单端（端（NRSE）三种）三种类类型。型。第18页，共54页，编辑于2022年，星期六l差分差分测测量系量系统统：信号：信号输输入端分入端分别别与一个模入通道相与一个模入通道相连连接。具有放大器的数接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分据采集卡可配置成差分测测量系量系统统。第19页，共54页，编辑于2022年，星期六l一个理想的差分一个理想的差分测测量系量系统仅统仅能能测测出出(+)和和(-)输输入端口之入端口之间间的的电电位差，完全不会位差，完全不会测测量到共模量

17、到共模电压电压；l实际应实际应用的数据采集卡的共模用的数据采集卡的共模电压电压的范的范围围限制了相限制了相对对于于测测量系量系统统地地的的输输入入电压电压的波的波动动范范围围；l可以用不同的方式来消除共模可以用不同的方式来消除共模电压电压的影响。如果系的影响。如果系统统共模共模电压电压超超过过允允许许范范围围，需要限制信号地与数据采集卡的地之，需要限制信号地与数据采集卡的地之间间的浮地的浮地电压电压，以避免，以避免测测量数据量数据错误错误；第20页，共54页，编辑于2022年，星期六l参考地参考地单单端端测测量系量系统统(Referenced Single-End，RSE)：也叫做接：也叫做接

18、地地测测量系量系统统，被，被测测信号一端接模信号一端接模拟输拟输入通道，另一端接系入通道，另一端接系统统地地AIGND。第21页，共54页，编辑于2022年，星期六l无参考地无参考地单单端端测测量系量系统统(NRSE)：信号的一端接模：信号的一端接模拟输拟输入通道，入通道，另一端接一个公用参考端，但另一端接一个公用参考端，但这这个参考端个参考端电压电压相相对对于于测测量系量系统统的地来的地来说说是不断是不断变变化的。化的。第22页，共54页，编辑于2022年，星期六l几种信号几种信号输输入方式的特点入方式的特点差分差分输输入入可避免接地回路干可避免接地回路干扰扰可避免因可避免因环环境引起的共模

19、干境引起的共模干扰扰NRSE可避免接地回路干可避免接地回路干扰扰RSE最最简单简单，若信号，若信号满满足下列条件，可足下列条件，可选择选择RSE输输入入第23页，共54页，编辑于2022年，星期六l若信号若信号满满足下列条件，可足下列条件，可选择选择RSE测测量方式：量方式：输输入信号幅入信号幅值较值较大，一般需大，一般需1V；连线连线比比较较短，一般短，一般5m；环环境干境干扰扰很小或信号屏蔽比很小或信号屏蔽比较较好；好；所有所有输输入信号都与信号源共地。入信号都与信号源共地。l否否则则建建议选议选用差分用差分输输入方式，入方式，总总体而言，差分体而言，差分输输入方式是比入方式是比较较好的好

20、的选选择择l输输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：对对于于电电池、池、RTD、应变应变片、片、热电热电偶等信号源，由于阻抗很小，可以偶等信号源，由于阻抗很小，可以将将这这些信号源直接些信号源直接连连接到数据采集卡上或信号接到数据采集卡上或信号调调理硬件上。理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导导致出致出错错。第24页，共54页，编辑于2022年，星期六测量放大器电路原理测量放大器电路原理 第25页，共54页，编辑于2022年，星期六三运放测量放大器原理图三运放测量放大器原理图b.电电阻阻

21、R3、R4、R5、R6要精要精密配合（密配合（R3=R5、R4=R6）。）。a.运放运放A1、A2的特性一的特性一致性。致性。对电路要求对电路要求A1A2A3+_b1b2+_i+由图可知由图可知第26页，共54页，编辑于2022年，星期六A1A2A3+_b1b2+_i+第27页，共54页，编辑于2022年，星期六放大器具有很高的抑制共模放大器具有很高的抑制共模信号的能力信号的能力 令输输出出uO与共模信号与共模信号uIc无关无关 A1A2A3+_b1b2+_i+第28页，共54页，编辑于2022年，星期六2.5 测量放大电路测量放大电路 抑制共模信号能力抑制共模信号能力第29页，共54页，编辑

22、于2022年，星期六总线性能参数总线性能参数总线宽度：指数据总线的位数，用位总线宽度：指数据总线的位数，用位(bit)来表示。如来表示。如8位、位、16位、位、32位、位、64位总线宽度。位总线宽度。寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。总线频率：总线的工作频率，以总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，是总线工作速率的一个重表示，是总线工作速率的一个重要参数。要参数。数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据量来表示。计算公式：输数

23、据量来表示。计算公式：总线数据传输率总线数据传输率=(总线宽度总线宽度8位位)*总线频率总线频率总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使源与目的同总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使源与目的同步。步。热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。第30页，共54页，编辑于2022年，星期六2023/4/11西北农林科技大学电子系31LabVIEW程序的基本构成程序的基本构成 l前

24、面板（前面板（front panel）；）；l流程框图（流程框图（block diagram）；）；l图标图标/连结器连结器(icon/connector)。l简单的简单的LabVIEW问题问题第31页，共54页，编辑于2022年，星期六IEEE-488总线定义总线定义lIEEE-488总总线线由由8条条双双向向数数据据线线、3条条信信号号交交换换线线、5条条通通用用控控制制线线和和8根地线组成。根地线组成。第32页，共54页，编辑于2022年，星期六GPIB总线构成总线构成管理总线管理总线（5根）根）挂钩总线挂钩总线（3根）根）数据总线数据总线（8根）根）仪器仪器A(计算机计算机)控者、讲者

25、控者、讲者和听者和听者功能功能IECIEC接口接口仪器仪器B(激励源激励源)听者听者功能功能IECIEC接口接口仪器仪器C(数字万用数字万用表表)讲者、听者讲者、听者功能功能IECIEC接口接口仪器仪器D(打印机打印机)听者听者职能职能IECIEC接口接口DUT被被测测设设备备EOIRENSROIFCATNNDAVNRFDDAVDIO1 DIO8传递仪器消息和大部分接口消传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地址：息，包括数据、命令和地址：传送设备命令传送设备命令(7位位)，传送地址和，传送地址和数据数据(8位位)。控制数据总线的时序，以保证控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有

26、节奏地传数据总线能正确、有节奏地传输信息。输信息。控制控制GPIB总线总线接口状态。接口状态。第33页，共54页，编辑于2022年，星期六总线上的读操作总线上的读操作lFRAME#信号有效，地址期开始，并在时钟信号有效，地址期开始，并在时钟2的上升沿处稳定有效。地的上升沿处稳定有效。地址期内，址期内，AD3l:00线传输一个有效地址，线传输一个有效地址，C/BE3:0#线传输一个总线传输一个总线命令。数据期从时钟线命令。数据期从时钟3的上升沿处开始，在此期间，的上升沿处开始，在此期间，AD31:00线传送线传送数据，而数据，而C/BE#作为字节使能线指明数据线上当前传输哪几个字节，作为字节使能

27、线指明数据线上当前传输哪几个字节，从数据期开始到传输完成，从数据期开始到传输完成，C/B#始终保持有效。始终保持有效。第34页，共54页，编辑于2022年，星期六总线上的读操作总线上的读操作l从设备被地址期内发送的地址选中，提供从设备被地址期内发送的地址选中，提供DEVSEL信号和信号和TRDY#信号，信号，TRDY#在在DEVSEL#之后出现。之后出现。IRDY#号由主设备发出。在号由主设备发出。在IRDY#和和TRDY#同时有效的时钟上升沿，数据传输开始，两信号中的一个无效时，进入同时有效的时钟上升沿，数据传输开始，两信号中的一个无效时，进入等待周期，不传输数据。读操作的地址期和数据期之间

28、，等待周期，不传输数据。读操作的地址期和数据期之间，AD线上要有交线上要有交换期，要求换期，要求TRDY#有效必须比地址的稳定有效晚一拍，交换期过后，有有效必须比地址的稳定有效晚一拍，交换期过后，有DEVSEL#信号时，从设备必须驱动信号时，从设备必须驱动AD线。线。l时钟时钟7处是最后一个数据期，由于主设备因某种原因不能完成最后一次传处是最后一个数据期，由于主设备因某种原因不能完成最后一次传输输(IRDY#有效有效)，故，故FRAME#不能撤销，只有在时钟不能撤销，只有在时钟8处，处，IRDY#为有效后，为有效后，FRAME#信号才能撤销。信号才能撤销。第35页，共54页，编辑于2022年，

29、星期六总线上的写操作总线上的写操作l写写操操作作与与读读操操作作相相类类似似，也也是是FRAME#信信号号有有效效，地地址址周周期期开开始始，在在时时钟钟2的的上上升升沿沿处处达达到到稳稳定定有有效效。整整个个数数据据期期也也与与读读操操作作基基本本相相同同。在在第第三三个个数数据据期期中中，从从设设备备连连续续插插入入了了3个个等等待待周周期期(TRDY#无无效效)。时时钟钟5处，传输双方均插入了等待周期。处，传输双方均插入了等待周期。lFRAME#撤撤销销，以以IRDY#无无效效为为前前提提，以以表表明明最最后后一一个个数数据据期期。时时钟钟5处处，主主设设备备撤撤销销IRDY#，插插入入

30、等等待待周周期期，要要写写的的数数据据延延迟迟发发送送，字字节使能信号不受等待周期的影响，不延迟。节使能信号不受等待周期的影响，不延迟。第36页，共54页，编辑于2022年，星期六总线上的写操作总线上的写操作l写操作与读操作的不同：写操作中，数据和地址是由同一个设备写操作与读操作的不同：写操作中，数据和地址是由同一个设备(主设备主设备)发出，址期与数据期之间没有交换周期。发出，址期与数据期之间没有交换周期。l只有一个数据期，只有一个数据期，FRAME#信号在没有等待周期的情况下，在地址期信号在没有等待周期的情况下，在地址期(读操作应在交换周期读操作应在交换周期)过后即撤销。过后即撤销。第37页

31、，共54页，编辑于2022年，星期六PCI总线传输的终止过程总线传输的终止过程l主主、从从设设备备都都可可提提出出终终止止PCI总总线线传传输输要要求求，但但无无权权单单方方面面实实施施传传输输停停止止，停停止止控控制制由由主主设设备备完完成成。结结束束标标志志是是FRAME#信信号号和和IRDY#信号均已撤销，而后进入总线空闲状态。信号均已撤销，而后进入总线空闲状态。1.由主设备提出的终止：主设备通过撤销由主设备提出的终止：主设备通过撤销FRAME#信号并建立信号并建立IRDY#，提，提出终止请求，告诉从设备，现在进入最后数据期，此后出终止请求，告诉从设备，现在进入最后数据期，此后IRDY#

32、一直有效，一直有效，直到出现直到出现TRDY#信号，完成数据最后传输。接着信号，完成数据最后传输。接着IRDW便撤销，达便撤销，达到完全终止的条件到完全终止的条件(FRAME#和和IRDY#同时无效同时无效)，结束传输，进入总线，结束传输，进入总线空闲状态。空闲状态。第38页，共54页，编辑于2022年，星期六VXI器件、模块与主机箱器件、模块与主机箱1.VXI器件器件器器件件是是组组成成VXI总总线线系系统统最最基基本本的的逻逻辑辑单单元元；通通常常，一一个个器器件件占占据据一一块块VXI模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一个器件占据多个模块；模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一

33、个器件占据多个模块；VXIVXI系系统统中中，最最多多可可有有256256个个器器件件，每每个个器器件件都都有有一一个个唯唯一一的的逻逻辑辑地地址址，逻辑地址的编号为逻辑地址的编号为0 0255255。器器件件之之间间的的基基本本操操作作是是信信息息传传输输。根根据据其其性性质质、特特点点和和它它所所支支持持的的通信规程，通信规程，VXIVXI总线器件分为总线器件分为:寄存器基器件寄存器基器件消息基器件消息基器件存储器器件存储器器件扩展器件扩展器件第39页，共54页，编辑于2022年，星期六字字节传节传送送协议协议字字节传节传送送协议协议是命令者和从者之是命令者和从者之间进间进行行8位数据位数

34、据传输传输的的协议协议，借助，借助“字字节节有效有效”和和“字字节请节请求求”两个字串行命令完成。两个字串行命令完成。1）字）字节节有效命令有效命令-命令者利用命令者利用“字字节节有效有效”命令向从者命令向从者发发送一个字送一个字节节的数据的数据D15D9为命令标识，内容固定，为命令标识，内容固定，D7D0是命令者向从者发送的数据是命令者向从者发送的数据字节，字节，D8用来传送用来传送END消息，为消息，为1时表示这次发送的字节是字节串的最时表示这次发送的字节是字节串的最后一个字节，为后一个字节，为0说明还有字节要发送。说明还有字节要发送。2）字节请求命令）字节请求命令-命令者可用命令者可用“

35、字节请求字节请求”命令从从者处取回一个字节数据命令从从者处取回一个字节数据，“字节请求字节请求”命令是一个固定的命令是一个固定的16位命令，其编码为位命令，其编码为DEEFH。从者在其数据低。从者在其数据低寄存器返回一个数据字节：寄存器返回一个数据字节：第40页，共54页，编辑于2022年，星期六高、低速高、低速USB设备在集线器的终端位置及其所连的功能设设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备备第41页，共54页，编辑于2022年，星期六高、低速高、低速USB设备在集线器的终端位置及其所连的设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备功能设备第42页，共54页，编辑于2022年，星期六由由于于U

36、SB设设备备上上的的输输入入保保护护设设备备可可能能互互相相排排斥斥，因因此此当当观观察察数数据据的的输输入入端端口口时时，可可能能发发现现由由电电压压生生成成器器产生的信号波形可能会变形。产生的信号波形可能会变形。靠靠近近设设备备的的USBUSB连连接接器器上上的的D+D+或或D-D-插口插口第43页，共54页，编辑于2022年，星期六信号发送信号发送l任何驱动状态下，任何驱动状态下，USB设备必须能接收上图所示波形。波形从一个设备必须能接收上图所示波形。波形从一个输出阻抗为输出阻抗为39的电压源直接进入每个的电压源直接进入每个USB数据口。数据口。l高速高速USB设备的连接是通过阻抗为设备

37、的连接是通过阻抗为9015%，最大单路时延为，最大单路时延为26ns的的屏蔽双绞线电缆进行，其最大速率为屏蔽双绞线电缆进行，其最大速率为12Mb/s，并且每个驱动器的，并且每个驱动器的阻抗必须在阻抗必须在2844之间。之间。l低速低速USB设备在插口端必须要有一个带有串行设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可控制电缆，口连接器的可控制电缆，速率为速率为1.5Mb/s。当电缆与设备相连时，在。当电缆与设备相连时，在D+/D-线上必须要有一个线上必须要有一个200450PF的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于18ns，从而保证信号响在其上升沿

38、或下降沿的第一个中点处产生，以允许从而保证信号响在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。电缆与一块电容器相连。第44页，共54页，编辑于2022年，星期六低速低速USB设备时序设备时序第45页，共54页，编辑于2022年，星期六低速低速USB设备时序设备时序低速驱动器信号波形低速驱动器信号波形 驱动器信驱动器信号端口号端口经过信号端的经过信号端的标准输出电平，标准输出电平，并有最小映象并有最小映象和阻尼和阻尼第46页，共54页，编辑于2022年，星期六高速高速USB设备的连接时序设备的连接时序第47页，共54页，编辑于2022年，星期六USB信号传送信号传送lUSB数

39、据收发器包含发送数据所需的差模输出驱动器和接收数据用的差模输数据收发器包含发送数据所需的差模输出驱动器和接收数据用的差模输入接收器。输出信号时，差模输出驱动器向入接收器。输出信号时，差模输出驱动器向USB电缆传送信号。电缆传送信号。l信号的信号的低输出低输出状态，驱动器稳态输出值必须小于状态，驱动器稳态输出值必须小于0.3V，且要承担，且要承担1.5K的负载加到的负载加到3.6V电源的灌电流。电源的灌电流。l信号的信号的高输出高输出状态，驱动器稳态输出值必须大于状态，驱动器稳态输出值必须大于2.8V，且要承担，且要承担15K的负载到地的的负载到地的拉电流。拉电流。l传输数据时，驱动器输出是两个

40、相差传输数据时，驱动器输出是两个相差180度的信号。即一个输出高电平，另一个为低度的信号。即一个输出高电平，另一个为低电平。接收器检测到两条线之间的电压差，当电平。接收器检测到两条线之间的电压差，当D+比比D-高时，信号被定义为差模高时，信号被定义为差模“1”；当；当D-比比D+高时，信号被定义为差模高时，信号被定义为差模“0”。l驱动器输出还支持三态输出，以保证可以进行双向半双工通信。同时还需高驱动器输出还支持三态输出，以保证可以进行双向半双工通信。同时还需高阻抗来将那些正在进行热插入操作，或已经连接了但电源却没有接通的下游阻抗来将那些正在进行热插入操作，或已经连接了但电源却没有接通的下游设

41、备同端口隔离开来。设备同端口隔离开来。l当两个差模数据输入，以地电位为参考，当两个差模数据输入，以地电位为参考，D+和和D-至少在至少在0.8V到到2.5V（此为允（此为允许的共模电压范围）之间时，接收器具有的灵敏度大于许的共模电压范围）之间时，接收器具有的灵敏度大于200mV。在没有损坏，。在没有损坏，并以本地地电位为参考的条件下，接收器所能承受的稳态输入电压是并以本地地电位为参考的条件下，接收器所能承受的稳态输入电压是-0.5V到到3.8V之间。每一条信号线都必须有一个单端接收器，这些接收器必须有一个位于之间。每一条信号线都必须有一个单端接收器，这些接收器必须有一个位于0.8V到到2.0V

42、之间（之间（TTL电平）的开关阀值电压电平）的开关阀值电压(称为接收器阀值电压称为接收器阀值电压VSE)。第48页，共54页，编辑于2022年，星期六USB信号传送信号传送l数据传输是由差模信号来实现的。在接收器看来，如果数据线的数据传输是由差模信号来实现的。在接收器看来，如果数据线的D+至至少比少比D-高高200mV就代表一个差模就代表一个差模“1”，而一个差模，而一个差模“0”则由则由D-至少比至少比D+高高200mV来表示。信号的交叉点必须位于来表示。信号的交叉点必须位于1.3V和和2.0V之间。之间。l数据的数据的J和和K状态是系统中用于差模数据通信的两个逻辑电平。差模状态是系统中用于

43、差模数据通信的两个逻辑电平。差模信号是在数据线的信号交叉点处进行测量的。只要信号的交叉电平信号是在数据线的信号交叉点处进行测量的。只要信号的交叉电平位于共模范围之内，差模数据信号就与信号的交叉电平无关。位于共模范围之内，差模数据信号就与信号的交叉电平无关。l当总线不处在差模信号方式时，数据线必须处在单端接收器开关阀值（当总线不处在差模信号方式时，数据线必须处在单端接收器开关阀值（VSE）范围（）范围（0.8V到到2.0V之间）之外才有效，如之间）之外才有效，如“空闲空闲”和和“重新开始重新开始”状态。状态。注意，空闲和重新开始状态在逻辑上分别等同于注意，空闲和重新开始状态在逻辑上分别等同于J和

44、和K状态。而全速率的状态。而全速率的J和和K状态正好与低速率的状态相反。状态正好与低速率的状态相反。第49页，共54页，编辑于2022年，星期六数据的编码与解码数据的编码与解码l在包传送时，在包传送时，USB数据编码格式称为数据编码格式称为Non-Return to Zero Inverted whit bit stuffing（ZRZI 无回零反向码）。它可以确保收发数据不需无回零反向码）。它可以确保收发数据不需要每个字节发送一个独立的时钟信号，或以要每个字节发送一个独立的时钟信号，或以Start and Stop位来保持位来保持与发送器的同步通信。与发送器的同步通信。l遇到遇到“0”转换，

45、遇到转换，遇到“1”保持。保持。l在在NRZI编码的数据格式中，编码的数据格式中，USB定义逻辑定义逻辑0为电压改变，逻辑为电压改变，逻辑1为电压为电压保持不变，传送的数据低位先送出。保持不变，传送的数据低位先送出。NRZI数据编码数据编码第50页，共54页，编辑于2022年，星期六SCPI仪仪器模型器模型每个方框每个方框对应对应一个一个SCPI子系子系统统，各个子系，各个子系统统又有更又有更详细详细的模型的模型描述。根据需要，找到描述。根据需要，找到仪仪器特定的功能器特定的功能块块，沿着，沿着树树状网状网络络从从顶顶向下向下寻寻找各分支，找到完成功能的命令。找各分支，找到完成功能的命令。格式

46、化：用来格式化：用来转换转换数据的表达式，当数据需要向外部接口数据的表达式，当数据需要向外部接口传传送送时时，必，必须须格式化。格式化。第51页，共54页，编辑于2022年，星期六SCPI仪仪器模型器模型电压表可能只需要用到测量功能、触发功能和格式化功能电压表可能只需要用到测量功能、触发功能和格式化功能单输出的源仪器可能只用到信号产生和格式化块单输出的源仪器可能只用到信号产生和格式化块格式化格式化测测量功能量功能触触发发数据数据总线总线简化的检测仪器模型简化的检测仪器模型信号信号发发生生格式化格式化数据数据总线总线简简化的源化的源仪仪器模型器模型第52页，共54页，编辑于2022年，星期六SC

47、PI命令句法命令句法1.语语法和式法和式样样：描述：描述SCPI命令的命令的产产生生规则规则以及基本的命令以及基本的命令结结构；构；2.命令命令标记标记：提供：提供SCPI要求和可供要求和可供选择选择的命令；的命令；3.数据交数据交换换格式：描述格式：描述仪仪器与器与应应用程序之用程序之间间、应应用程序与用程序与应应用程序之用程序之间间或者或者仪仪器与器与仪仪器之器之间间可使用的数据集可使用的数据集标标准表示方法。准表示方法。VISA的的编编程程打开打开仪仪器器资资源源 写命令写命令 从从仪仪器器缓缓存存中中读读取数据取数据 关关闭仪闭仪器器资资源源第53页，共54页，编辑于2022年，星期六2.IVI规规范及体系范及体系结结构构IVI驱动驱动程序比程序比VPP联联盟制盟制订订的的VISA规规范更高一范更高一层层。它。它扩扩展了展了VPP仪仪器器驱动驱动程序程序的的标标准，并加上了准，并加上了仪仪器的可互器的可互换换性、仿真和状性、仿真和状态缓态缓存等特点，使得存等特点，使得仪仪器厂商器厂商可以可以继续继续使用它使用它们们的的仪仪器特征和新增功能。因此器特征和新增功能。因此IVI基金会是基金会是对对VPP系系统联统联盟盟的一个很好的的一个很好的补补充。充。第54页，共54页，编辑于2022年，星期六